Podręcznik

3.7. Języki opisu sprzętu

Języki opisu sprzętu były początkowo pomyślane jako narzędzie do definiowania projektów w sformalizowany sposób, aby ułatwić uniknięcie luk, omyłek i niespójności. Obecnie dają one znacznie większe możliwości. Projekt układu opisany w jednym z tych języków może być poddany symulacji w celu sprawdzenia, czy układ będzie działał zgodnie z intencją projektanta. Możliwa jest także (choć nie w każdym przypadku) automatyczna synteza układu - do poziomu projektu logicznego, a nawet do poziomu topografii. W ten sposób języki opisu sprzętu stały się językami wejściowymi systemów automatycznego projektowania układów scalonych. Dwa standardowe, powszechnie używane języki opisu sprzętu to Verilog i VHDL. Każdy z nich może być używany w powiązaniu z oprogramowaniem do projektowania układów scalonych pochodzącym z wielu różnych firm. 

Języki opisu sprzętu pozwalają opisywać układy na kilku poziomach abstrakcji. Możliwy jest opis funkcjonalny (zwany też behawioralnym); taki opis pozwala zdefiniować funkcję układu (opisuje algorytm realizowany przez układ) bez określania, w jaki sposób ta funkcja ma być zrealizowana. Możliwy jest opis architektury, gdzie definiuje się bloki, z jakich składa się układ, określa ich działanie, a w tym sygnały wejściowe i wyjściowe przesyłane między blokami, ale nie określa się, jak bloki mają być zrealizowane. Możliwy jest także opis strukturalny, w którym definiowany jest konkretny schemat logiczny bloku lub całego układu. Opisy te można łączyć w jednym projekcie i najczęściej w opisach bardziej złożonych układów znajdziemy fragmenty opisane na każdym z tych poziomów abstrakcji. Przykładowo, układ może być opisany przez zdefiniowanie jego architektury, a w tym opisie jedne bloki mogą być opisane przez zdefiniowanie ich funkcji (czyli opis funkcjonalny), a inne przez podanie konkretnego schematu logicznego (czyli opis strukturalny).

Te trzy poziomy abstrakcji potrzebne są po pierwsze dlatego, że nie każdy opis funkcjonalny może służyć do automatycznej syntezy układu. Mówimy, że opis funkcjonalny jest syntezowalny, jeśli automatyczna synteza jest możliwa. Jednak w pewnych przypadkach automatyczna synteza nie jest możliwa bez znajomości intencji projektanta. Przykładowo, instrukcja zsumowania dwóch liczb może być jednoznacznie przekształcona na schemat logiczny sumatora tylko wtedy, gdy znany jest sposób reprezentacji tych liczb oraz rodzaj sumatora, jaki ma być zastosowany. Jak widzimy, czysty opis funkcjonalny zwykle nie wystarcza, konieczne jest zdefiniowanie pewnych szczegółów pożądanej implementacji. Niemniej, opis funkcjonalny jest bardzo wygodny jako punkt startowy projektu, ponieważ można poddać go symulacji funkcjonalnej nawet, jeśli nie jest syntezowalny. W ten sposób można uniknąć błędów na etapie definiowania funkcji układu. Ponadto opis funkcjonalny jest znacznie krótszy, prostszy i możliwy do interpretacji przez człowieka, podczas gdy opis architektury, a tym bardziej opis strukturalny jest dla człowieka bardzo trudny do analizy i interpretacji. Nawet nie znając żadnego z wymienionych języków nietrudno wyobrazić sobie, że gdy widzimy instrukcję postaci Z = X+Y, to intuicyjnie rozumiemy, o co chodzi, zaś gdy widzimy opis schematu logicznego sumatora złożonego z kilkuset bramek logicznych (czyli kilkaset linii kodu opisu strukturalnego), to bez dodatkowych wyjaśnień nie domyślimy się, co ów układ robi (chyba że sami go zaprojektowaliśmy), i nie sprawdzimy również bez użycia symulatora, czy jest to schemat poprawny.

Opis architektury oraz opis strukturalny są potrzebne nie tylko dlatego, że nie każdy opis funkcjonalny jest syntezowalny, ale także dlatego, że wyniki automatycznej syntezy układu mogą być dalekie od optymalnych. Dlatego najczęściej spotyka się opisy, w których projektant definiuje architekturę układu, część bloków opisuje funkcjonalnie, a niektóre opisuje strukturalnie, ponieważ wie, jaki schemat logiczny będzie dla realizacji funkcji tych bloków najlepszy.

Języki opisu sprzętu były początkowo przeznaczone tylko do opisywania układów cyfrowych. Obecnie istnieją rozszerzenia (Verilog-A, VHDL-AMS) umożliwiające także opisywanie układów analogowych. Opisy układów analogowych nie są syntezowalne, ponieważ nie udało się, jak dotąd, zautomatyzować projektowania układów analogowych. Możliwa jest natomiast ich symulacja. Możliwa jest też symulacja układów mieszanych, analogowo-cyfrowych.

Opis funkcjonalny układu w języku opisu sprzętu jest na pierwszy rzut oka podobny do opisu algorytmu w tradycyjnym języku programowania (zwłaszcza że składnia języków opisu sprzętu pod wieloma względami wywodzi się z języków programowania, np. dla języka Verilog wzorem składni był język C, dla VHDL - język ADA). Istnieje jednak kilka zasadniczych różnic. Po pierwsze, operacje arytmetyczne i logiczne w językach programowania mają sens operacji na abstrakcyjnych obiektach, jakimi są liczby, zmienne czy też wartości logiczne. Podobnie zapisane operacje w językach opisu sprzętu oznaczają działanie konkretnych fizycznych obiektów - bramek, przerzutników, rejestrów itp. Dlatego instrukcja postaci Z = X+Y w języku opisu sprzętu nie jest wystarczająca. Aby opis był kompletny, muszą być znane takie informacje, jak format liczb, liczba bitów, ich kolejność (bit najmniej znaczący na początku czy na końcu?), a także co się ma stać po wykonaniu operacji - czy wynik ma być zapamiętany, czy gdzieś przesłany, jeśli tak, to gdzie? Po drugie, języki opisu sprzętu umożliwiają zdefiniowanie zależności czasowych między operacjami, w tym także operacji współbieżnych, tj. wykonywanych równocześnie i niezależnie. 

A oto przykład: jak wygląda opis prostego bloku logicznego w języku Verilog.

Opisywany blok cyfrowy o nazwie „arp” ma realizować następujący algorytm. Na wejściu dane jest czterobitowe słowo A oraz jeden bit oznaczony PM. Po każdej zmianie wartości A lub PM należy sprawdzić, czy nowa wartość PM jest jedynką i czy nowa wartość A nie jest równa maksymalnej możliwej, tj. czterem jedynkom. Jeśli oba warunki są spełnione, to wyjściowe czterobitowe słowo Q otrzymuje wartość o 1 większą od A, w przeciwnym razie Q otrzymuje wartość równą A. Wartość Q jest zapamiętywana w czterobitowym rejestrze.

Na koniec warto dodać, że języki opisu sprzętu mogą być używane do opisu układów cyfrowych, analogowych i mieszanych realizowanych w dowolny sposób, nie tylko jako układy specjalizowane (ASIC).